Введение к работе
Преобладающие в мировой практике двухконтурные ядерные энергетические установки с водо-водяными реакторами под давлением (ВВЭР или PWR) при отсутствии перегрева пара и умеренном значении его давления на входе в турбину (6-7 МПа) имеют более низкий термический коэффициент полезного действия цикла по сравнению с тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на высоких параметрах перегретого пара. Для АЭС переход к сверхкритическим параметрам первого контура при расположении в пределах активной зоны области псевдофазового перехода от воды к перегретому пару с резким снижением плотности теплоносителя ухудшает нейтронные характеристики активной зоны водо-водяных реакторов, где замедлителем является сам теплоноситель. Поэтому для удержания на конкурентоспособном уровне значения коэффициента полезного действия термодинамического цикла АЭС по сравнению с ТЭС повышается роль максимального использования в пароводяных подогревателях системы регенерации температурного потенциала греющего пара с отборов от турбин. Достигается это, среди прочего, дополнительным прогоном конденсата греющего пара через охладитель конденсата (ОК) перед направлением его в подогреватель с более низким давлением греющего пара. Для дальнейшего повышения эффективности системы регенерации в ОК организуется противоточное движение теплообменивающих сред.
Подогреватели системы регенерации паротурбинных установок (ПСР ПТУ) могут иметь горизонтальное или вертикальное исполнение, где последнее обладает определёнными преимуществами:
меньшая занимаемая площадь машинного зала,
более удобная разборка/сборка при ремонте непосредственно в машинном зале.
Недостатком вертикального исполнения является более низкие значения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на внешней поверхности те-плообменных труб. Эти трубы, обычно, имеют диаметр (16 или 20) мм при толщине стенки 1-2 мм. Для взаимного дистанционирования трубы пропускаются через сверления в перегородках, имеющих несколько больший диаметр по сравнению с внешним диаметром труб. Уменьшение диаметра сверления затрудняет сборку трубного пучка, но позволяет снять часть конденсата, стекающего по внешней поверхности труб и повысить интенсивность теплоотдачи при конденсации пара на этой поверхности.
В последние 30 лет в отечественной энергетике произошёл переход к конструкции ПСР ПТУ, при которой ОК встроен в корпус самого подогревате-
ля (например, см. рис. 1, поз. 9). В вертикальном подогревателе для ОК используется входная по нагреваемой воде часть пучка теплообменных труб, высотой 2-4 м, заключённая в отдельную выгородку (9). Через отверстия, расположенные в боковых стенках выгородки (10) ниже уровня конденсата на трубной доске (7), конденсат с температурой близкой к температуре насыщения при давлении пара в корпусе (1), по трубам (17) направляется в верхний отсек ОК (9), расположенный между горизонтальными перегородками (13) и (14). Далее конденсат при противотоке совершает при поперечном омывании труб поверхности теплообмена несколько ходов (в данном случае - четыре), охлаждается и выводится из теплообменника через патрубок (3).
Рисунок 1. Схема вертикального поверхностного подогревателя со встроенным ОК. Обозначения: 1 - вертикальный корпус; 2 и 3 - патрубки подвода греющего пара и отвода его конденсата, соответственно; 4 - водяная камера; 5 и 6 - патрубки входа и выхода нагреваемой воды, соответственно; 7 - трубная доска; 8 - трубная система 8; 9 - ОК; 10 - боковые стенки выгородки; 11 и 12 - торцевая и промежуточная стенки выгородки, соответственно; 13 16- направляющие перегородки; 17-транспортный канал. Так как для создания противотока теплообменивающих сред поднимающийся по транспортному каналу выгородки (9) конденсат при подходе к её верхней грани (14) теряет 20-40 кПа своего давления (в основном из-за наличия статического давления столба конденсата в выгородке), на верхней грани (13) имеет место на несколько порядков более высокий перепад давления по сравнению с его значениями на промежуточных перегородках. Поэтому возможен
значительный паровой поток через кольцевые зазоры в верхней грани выгородки и снижение степени захолаживания конденсата в его охладителе.
Отверстия в перегородках просверливаются без чистовой обработки по-верхности и имеют шероховатость Д=(25-30)10~ мм, которая лишь на порядок отличается от эквивалентного диаметра рассматриваемого зазора d3=4Fnp/n=(d0TB-^Tp)- При столь высоких значениях A/d3=0,042-0,214 отсутствуют рекомендации по расчёту коэффициента гидросопротивления трения, что не позволяет определить расход однофазного потока (конденсат или пар) через зазоры в перегородках и оценить эффективность работы подогревателя.
Кроме того необходима разработка мер по снижению упомянутых выше протечек.
Перечисленное выше обуславливает актуальность выбранной темы и позволяет сформулировать цели диссертационной работы:
разработка на основе имеющихся рекомендаций и дополнительно проведённого экспериментального исследования методики расчёта расхода однофазной среды через зазоры между отверстиями в перегородках и трубками вертикальных ПСР ПТУ;
разработка мер по снижению упомянутого выше расхода.
Степень разработанности темы исследования. Все имеющиеся в настоящее время рекомендации по расчёту коэффициента гидросопротивления трения Хрр в каналах с высокой относительной шероховатостью (A/d3) поверхностей (справочник И.Е. Идельчика, монография Г. Шлихтинга, учебник М.А. Михеева и др.) рассматривают лишь цилиндрические каналы при A/d3<0,06.
Методический подход, принятый в работе:
Эксперименты проведены с фрагментами перегородок и теплообменных труб, выполненных из натурных материалов и имеющих натурные поперечные размеры. При этом использовано шесть сочетаний материала труб, диаметра и высоты перегородки. В экспериментах охвачен широкий диапазон перепада давления среды на перегородках.
Разработанная методика измерений фиксирует с требуемой точностью характеристики процессов.
Предложенные физические модели и замыкающие соотношения основаны на современных достижениях в области гидродинамики.
Автор защищает:
- Экспериментальные данные по гидросопротивлению потока воды в узких
кольцевых зазорах, имеющих высокую относительную шероховатость
A/d3=0,042-0,214.
Рекомендации по расчёту коэффициента гидросопротивления трения (А^р) однофазного потока (вода или пар) в узких кольцевых зазорах, имеющих высокую относительную шероховатость их поверхностей. При этом рассматривается широкий диапазон режимов течения от ламинарного до области авто-модельности зависимости Xrp=f(Re).
Методику расчёта расхода однофазной среды через узкие кольцевые зазоры, имеющие высокую относительную шероховатость их поверхностей.
Методику расчёта среднего значения коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара на участке между соседними перегородками вертикального подогревателя, учитывающую частичную протечку конденсата через зазоры в верхней перегородке исследуемого участка.
Результаты ресурсных испытаний с имитацией стояночного режима вертикального подогревателя с засорением рассматриваемых зазоров продуктами коррозии.
Научная новизна работы состоит в следующем:
на основе анализа результатов проведённых экспериментов предложен ряд соотношений для расчёта коэффициента гидросопротивления трения однофазного потока в узких кольцевых зазорах, имеющих высокую относительную шероховатость;
определено критическое значение числа Рейнольдса для ламинарного потока в кольцевых зазорах перегородок реальных подогревателей;
разработана методика расчёта расхода однофазной среды через узкие кольцевые зазоры с высокой относительной шероховатостью поверхностей;
разработана методика расчёта среднего значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на участке между соседними перегородками вертикального подогревателя, учитывающая ограничение протечки конденсата через зазоры в верхней перегородке рассматриваемого участка.
Достоверность научных положений и предложенных расчётных соотношений основывается на результатах экспериментального исследования, проведённого с фрагментами перегородок и теплообменных труб, выполненных из натурных материалов и имеющих натурные поперечные размеры. Использовано шесть сочетаний материала труб, диаметра и высоты перегородки. Сверления отверстий в перегородках выполнены по технологии, принятой на заводах отрасли.
В экспериментах охвачен широкий диапазон перепада давления среды на перегородке, включающий его действительные значения на промежуточных
перегородках и верхней грани выгородки охладителя конденсата вертикальных ПСР ПТУ.
Предложенные замыкающие соотношения, базируются на результатах экспериментов, проведённых автором на ряде моделей и на рекомендациях других исследователей.
Практическая ценность. Результаты работы используются в ОАО «НПО ЦКТИ» при теплогидравлическом расчёте вертикальных ПСР ПТУ АЭС и ТЭС, а также на заводах отрасли.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и расчётных разработок, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками лаборатории № 106 ОАО «НПО ЦКТИ». При этом автору принадлежит проведение экспериментов, анализ результатов экспериментов и разработка предлагаемых соотношений.
Апробация результатов работы. Результаты работы представлялись на XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» СПбГПУ 21-25.05.2007, СПб; на НТС ОАО "НПО ЦКТИ" 20.11.2006, СПб; на «Неделе науки 2007» в СПбГПУ, 30.11.2007, СПб; на АЭС Некарвестхайм компании EnBW Kernkraft GmbH, 14.11.2013, Некар-вестхайм (Германия); в филиале ОАО «Головной институт «ВНИПИЭТ» «СПбАЭП», 06.12.2013, СПб, а также на ЛМЗ, декабрь 2013, СПб.
Публикации. Результаты диссертации изложены в четырёх печатных работах, включая три статьи в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 115 страниц основного текста (введение, пять глав с выводами, заключение), 22 рисунка, 10 таблиц. Список литературных источников содержит 71 наименование (без трудов автора). Общий объем диссертации 130 страниц.
